KR20190057139A - Internal combustion steam engine - Google Patents
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Abstract
엔진 케이싱, 크랭크축의 축에 대해 회전가능한 크랭크축 (16), 상기 엔진 케이싱 내부에 배치된 실린더 (2), 상기 크랭크축에서 원위의 상사 점 위치 및 상기 크랭크축에서 근위의 하사 점 위치 사이에서 왕복 축을 따라 이동가능하게 왕복운동하고, 상기 왕복운동 피스톤이 상기 크랭크축에 회전 움직임을 가하도록 상기 크랭크축에 작동가능하게 연결되는 상기 실린더 내부에 배치된 피스톤 (1), 상기 엔진 케이싱 및 상기 크랭크축에 대향하는 상기 피스톤의 헤드 사이에서 상기 실린더 이내로 한정되는 연소 챔버 (17), 흡기 밸브 (3A), 배기 밸브 (3B), 상기 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하는 연료 분사기 (4), 상기 피스톤의 상기 상사 점 하부의 위치에서 상기 연소 챔버 내로 물을 직접 분사하는 물 분사기 (6); 및 스파크 플러그 (5)를 포함하고, 여기서 상기 흡기 밸브는 상기 흡기 밸브를 통해 상기 연소 챔버로 압축 가스 산화제를 공급하도록 구성되는 압축 가스 산화제 공급부(9)와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 스파크된 왕복 내연 2-행정 증기 엔진.A cylinder (2) arranged inside the engine casing, a reciprocating point between a distal top dead center position in the crank shaft and a proximal bottom dead center position in the crank shaft, and an engine crankshaft (16) rotatable about an axis of the crank shaft A piston (1) movably reciprocated along an axis and disposed within said cylinder operatively connected to said crankshaft such that said reciprocating piston makes a rotational movement in said crankshaft, a piston A combustion chamber (17), an intake valve (3A), an exhaust valve (3B), a fuel injector (4) for directly injecting fuel into the combustion chamber, the combustion chamber (17) being defined within the cylinder between the heads of the pistons A water injector (6) for directly injecting water into the combustion chamber at a position below the top dead center; And a spark plug (5), wherein said intake valve is in fluid communication with a compressed gas oxidant supply (9) configured to supply a compressed gas oxidant to said combustion chamber via said intake valve Internal combustion two-stroke steam engine.
Description
본 발명은 내연 증기 엔진, 특히 향상된 효율성, 저공해, 낮은 RPM에서의 높은 토크를 갖는 내연 증기 엔진, 또한 이를 작동시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an internal combustion steam engine, and more particularly, to an internal combustion steam engine having improved efficiency, low pollution, high torque at low RPM, and a method of operating the same.
증기 엔진 및 내연 엔진은 150년 이상에 걸쳐 기계적 회전 동력을 생산하는데 사용되어 왔다. 왕복 운동하는 피스톤을 기반으로 하는 현재의 증기 엔진은 제임스 와트 (James Watt)가 저출력 왕복 운동 엔진을 응축기와 연결하여 대기압보다 낮은 압력으로 증기 팽창을 가능하게 함으로써 효율성을 높임으로 가능해졌다. 증기 터빈의 도입으로 지구 중력 시스템에서 수성의 압력의 몇 인치에 비해 더 큰 효율성과 확장을 가능하게 했다. 그러나, 왕복 형식의 증기 엔진은 20세기에 걸쳐 철도 산업에서 가파른 수준 이상의 큰 무게를 이동시키기 위해 저RPM에서 높은 토크가 필요할 때마다 사용되었다. 증기 엔진은 일반적으로 석탄이나 천연 가스를 사용하지만 어떤 종류의 연료도 동력 생성에 연소시킬 수 있다. 과열된 상태로 증기를 높이기 위해 외부 보일러가 필요하다는 점에서 한계를 갖는다. 과열된 증기는 종종 보일러에서 연소되는 연료의 온도보다 낮은데, 물로의 열 전달은 상당한 온도 차이 또는 큰 열 전달 표면을 요구 하기 때문이다. 따라서, 전력의 생성 및 기계적 동력과 증기의 결합이 요구되는 일부 시스템을 제외하고, 증기 엔진은 널리 사용되지 않는다. 증기 엔진은 기존의 연소 엔진보다 높은 토크를 발생시킨다.Steam engines and internal combustion engines have been used to produce mechanical rotary power for over 150 years. The current steam engine, based on a reciprocating piston, is made possible by James Watt's ability to connect a low-power reciprocating engine to the condenser to allow steam expansion at pressures below atmospheric pressure, thereby increasing efficiency. The introduction of steam turbines has enabled greater efficiency and expansion over a few inches of aqueous pressure in Earth gravity systems. However, the reciprocating steam engine was used every 20th century when high torque was needed at low RPM to move large weights over the steepest level in the rail industry. Steam engines typically use coal or natural gas, but any kind of fuel can burn to power generation. And an external boiler is needed to raise the steam in a superheated state. The superheated steam is often lower than the temperature of the fuel burned in the boiler because the heat transfer to water requires a significant temperature difference or a large heat transfer surface. Thus, steam engines are not widely used, except for some systems where power generation and the combination of mechanical power and steam are required. Steam engines generate higher torque than conventional combustion engines.
현대식 운송수단은 주로 내연 엔진에 의해 구동된다. 리튬 배터리의 개발로 전기 자동차가 도시용 또는 200마일 미만의 주행 거리에 적합해 졌지만, 현대식 운송 엔진은 오토 사이클 (Otto Cycle), 디젤 사이클 (Diesel Cycle), 브레이튼 사이클 (Brayton Cycle) 및 제트 추진을 위한 에어 스탠다드 사이클 (Air Standard Cycle)을 기반으로 하는 것을 포함한다.Modern vehicles are driven primarily by internal combustion engines. With the development of lithium batteries, electric vehicles have been adapted for urban or less than 200 miles of mileage, but modern transportation engines have been developed for Otto Cycle, Diesel Cycle, Brayton Cycle and Jet Propulsion Based on the Air Standard Cycle.
다양한 형태의 오토 사이클이 육상 운송 시스템, 소형 보트 및 프로펠러 구동 소형 항공기에 사용된다.Various types of autocycles are used in land transport systems, small boats and propeller-powered small aircraft.
풍력 및 태양력 시설이 실용적이지 않은 발전 시스템에서, 디젤 또는 오토 사이클의 내연부가 있을 수 있다.In power generation systems where wind and solar power facilities are not practical, there may be diesel or autocycle internal combustion engines.
분뇨로부터 메탄 가스가 이용 가능하거나 프로판에 접근 가능한 농장 및 낙농장에서 오토 사이클 기반 엔진이 사용될 수 있다.Autocycle based engines can be used in farms and dairy farms where methane gas is available from manure, or propane is accessible.
따라서, 탄화수소 연료의 사용을 줄이는 환경적 요구에도 불구하고, 오토 사이클에 기반한 엔진이 적어도 향후 20 여 년간 세계적으로 두드러질 것이다. 따라서, 효율성을 최대화하면서 공기 오염을 최소화하는 엔진 설계를 개발하는 것이 중요하다.Thus, despite environmental requirements to reduce the use of hydrocarbon fuels, engines based on autocycles will stand out globally for at least the next 20 years. It is therefore important to develop an engine design that maximizes efficiency while minimizing air pollution.
디젤 및 오토 사이클 엔진들은 일반적으로 공기 표준 사이클로 지칭된다. 이는 대기로부터의 공기가 연료의 주요 산화제가 되기 때문이다 (공기는 비용이 없고, 연료 비용만 있음). 그러나, 공기에 함유된 질소는 결과적으로 처리되어야 하는 NOx 형성을 초래한다.Diesel and autocycle engines are generally referred to as air standard cycles. This is because the air from the atmosphere is the main oxidant of the fuel (air is costless, fuel cost only). However, the nitrogen contained in the air results in NO x formation that must be treated as a result.
대부분의 오토 사이클 엔진은 4-행정 엔진이다. 이 엔진은 가솔린, 프로판 또는 천연 가스 (메탄)을 연료로 사용하고, 산화제는 공기이다. 노킹 (비정상 연소)을 방지하기 위해 이 엔진은 간소하게 작동된다 (연료 연소에 필요한 것보다 더 많은 공기). 이는 NOx형성을 초래하고 또한 불완전 연소 (CO 형성) 를 초래할 수 있다. 두 가지 모두 온실 가스이다. 오늘 날의 대부분의 자동차는 비연소 탄화수소 발생을 방지하기 위해 직접적으로 연료 분사를 한다.Most autocycle engines are four-stroke engines. The engine uses gasoline, propane or natural gas (methane) as fuel, and the oxidant is air. To prevent knocking (abnormal combustion), the engine operates simply (more air than is needed for fuel combustion). This can result in NO x formation, and also result in an incomplete combustion (CO formation). Both are greenhouse gases. Most of today's cars inject fuel directly to prevent the generation of unburned hydrocarbons.
소형 엔진의 상당수는 이른바 2-행정 엔진이다. 이는 선외 모터, 스쿠터, 모형 비행기, 야드 장비 등에 사용되고 있다. 이들의 크기는 일반적으로 1000 cm3 이하이다. 일반적으로 별도의 챔버로 된 크랭크케이스를 사용하여 실린더로 공급된 공기를 흡기 및 압축한다. 피스톤이 실린더에서 하부로 움직이는 경우 피스톤은 크랭크케이스 내의 공기-연료-오일 혼합물을 압축한다. 스트로크의 말단에 가까워지면, 배기 밸브가 여전히 개방되어 있는 동안 이는 실린더로 밸브를 개방하고 압축 공기-연료-오일 혼합물은 실린더 (연소 챔버)로 이동한다. 이는 대기 중으로 일부 탄화수소를 손실한다. 명백하게, 아직까지 2행정 엔진들을 위한 NOx 촉매 처리가 제안된 바가 없다. 2행정 엔진의 일부 생산자들은 직접 분사 연료 시스템을 사용하기 시작하고 있다. 이는 원료 탄화수소를 대기 중으로 버리지 않도록 하지만, 아직 실용화하기에 충분히 낮은 비용으로NOx를 해결하지 못하고 있다.Many of the smaller engines are so-called two-stroke engines. It is used for outboard motors, scooters, model airplanes, yard equipment and so on. Their size is generally less than 1000 cm 3 . Generally, a crankcase with a separate chamber is used to suck and compress the air supplied to the cylinder. When the piston moves downward from the cylinder, the piston compresses the air-fuel-oil mixture in the crankcase. As it approaches the end of the stroke, it opens the valve to the cylinder while the exhaust valve is still open, and the compressed air-fuel-oil mixture travels to the cylinder (combustion chamber). This results in some hydrocarbons being lost to the atmosphere. Obviously, no NO x catalyst treatment has yet been proposed for two-stroke engines. Some producers of two-stroke engines are beginning to use direct injection fuel systems. This prevents the raw hydrocarbons from being discharged into the atmosphere, but does not solve the problem of NO x at a sufficiently low cost for practical use.
수 년간 연료로서 H2를 활용하는 연구가 이루어지고 있고, 캘리포니아 주 미국 에너지부 (USDOE) 및 나사 (NASA)에서 수행된 시험은 분사기 노즐 포트의 개수를 변화시킴으로써 4-행정 엔진에서 직접 분사로 보다 낮은 NOx 형성이 된다는 것을 보여주었다.Studies have been conducted utilizing H 2 as fuel for many years, and tests conducted by the US Department of Energy (USDOE) and NASA (NASA) have shown that by varying the number of injector nozzle ports, Low NO x formation.
상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 기존의 엔진들에 비해 더 효율적이고 저감된 오염성의 개선된 내연 엔진, 및 이러한 엔진을 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.In view of the above, it is an object of the present invention to provide an improved internal combustion engine that is more efficient and less polluted than conventional engines, and a method of operating such an engine.
도1은 본 발명에 따른 ICSE 의 실시예의 단면도이다;
도2는 바람직한 물 분사 패턴의 평면도이다.
도3은 90° 보다 큰 각도를 나타내는 바람직한 물 분사 패턴의 측면도이다.
도4는 도1의 ICSE 내의 실린더 내부의 물 주입 패턴의 특히 더 바람직한 실시예를 도시한다.
도5A 내지 5C는 기타 선택적인 공기 탱크/버퍼 탱크를 갖는 본 발명의 ICSE 의 실시예를 도시한다.1 is a cross-sectional view of an embodiment of an ICSE according to the present invention;
2 is a plan view of a preferred water spray pattern.
3 is a side view of a preferred water spray pattern showing an angle greater than 90 degrees.
Fig. 4 shows a particularly preferred embodiment of a water injection pattern inside the cylinder in the ICSE of Fig.
Figures 5A-5C illustrate an embodiment of the ICSE of the present invention with other optional air tank / buffer tanks.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명은 제1양태에서 엔진 케이싱, 크랭크축의 축에 대해 회전가능한 크랭크축, 상기 엔진 케이싱 내부에 배치된 실린더, 상기 크랭크축에서 원위의 상사 점 위치 및 상기 크랭크축에서 근위의 하사 점 위치 사이에서 왕복 축을 따라 이동가능하게 왕복운동하고, 상기 왕복운동 피스톤이 상기 크랭크축에 회전 움직임을 가하도록 상기 크랭크축에 작동가능하게 연결되는 상기 실린더 내부에 배치된 피스톤, 상기 엔진 케이싱 및 상기 크랭크축에 대향하는 상기 피스톤의 헤드 (또는 상부) 사이에서 상기 실린더 이내로 한정되는 연소 챔버, 흡기 밸브, 배기 밸브, 상기 연소 챔버 내로 연료를 직접 분사하는 연료 분사기, 상기 피스톤의 (헤드/상부의) 상기 상사 점 하부의 위치에서 상기 연소 챔버 내로 물을 직접 분사하는 (배치된)(연료 분사기와 별도인) 물 분사기; 및 스파크 플러그를 포함하고, 여기서 상기 흡기 밸브는 상기 흡기 밸브를 통해 상기 연소 챔버로 압축 가스 산화제를 공급하도록 구성되는 압축 가스 산화제 공급부와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 스파크된 왕복 내연 2-행정 증기 엔진을 제시한다.In order to achieve the above object, the present invention provides, in a first aspect thereof, an engine comprising a crankshaft rotatable about an axis of a crankshaft, a cylinder disposed within the engine casing, a distal top dead center position in the crankshaft, A piston disposed within the cylinder and reciprocally moveable along a reciprocating axis between a bottom dead center position of the crankshaft and operatively connected to the crankshaft such that the reciprocating piston makes a rotational movement on the crankshaft, An intake valve, an exhaust valve, a fuel injector for directly injecting fuel into the combustion chamber, and a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber (head / upper portion of the piston) Directly injecting water into the combustion chamber at a location below the top dead center ) (Fuel injector and a separate) water sprayer; And a spark plug, wherein the intake valve is in fluid communication with a compressed gas oxidizer supply configured to supply a compressed gas oxidizer to the combustion chamber through the intake valve. A sparked reciprocating internal two-stroke steam engine .
추가적인 양태에서, 본 발명은 또한 본원에 개시된 스파크된 왕복 2-행정 내연 엔진의 작동 방법을 제시한다.In a further aspect, the present invention also provides a method of operation of the sparked reciprocating two-stroke internal combustion engine disclosed herein.
무엇보다도 본 발명의 엔진은 2-행정 증기 엔진으로서, 크랭크축의 회전 사이클 각각에서 동일한 실린더에서 연료 산화제 혼합물을 점화시켜 동력이 생성되는 것을 의미한다. 이는 산화제 (공기 또는 산소)의 압축 작용을 (엔진의 일부가 아닌) 보조 압축 장치로 이동시킴으로써 가능해지고, 이는 산화제가 기존의 2-행정 엔진들과 같이 실린더 아래 또는 실린더 내에서 압축하는 대신에 이미 압축된 상태에서 실린더로 공급되는 것을 의미한다. 따라서 연료 점화 전의 압축은 일어나지 않거나 실린더의 도움으로 일어나지 않지만, 산화제는 충분히 압축된 상태로 제공된다. 엔진이 2-행정엔진인 경우의 주요 장점은 당연히 동일한 동력의 4-행정 엔진에 비해, 엔진이 훨씬 더 작을 수 있고; 또는 대안적으로, 동일한 크기에서, 엔진이 이론 상 두 배의 동력을 제공할 수 있다.Above all, the engine of the present invention is a two-stroke steam engine, meaning that power is generated by igniting the fuel oxidizer mixture in the same cylinder in each rotation cycle of the crankshaft. This is made possible by moving the compression action of the oxidizing agent (air or oxygen) to a secondary compression device (not part of the engine), which allows the oxidizing agent to be compressed under the cylinder or in the cylinder, Which means that it is supplied to the cylinder in a compressed state. Thus, the compression before the fuel ignition does not occur or occurs with the help of the cylinder, but the oxidizer is provided in a fully compressed state. The main advantage when the engine is a two-stroke engine is, of course, that the engine can be much smaller than a four-stroke engine of the same power; Or alternatively, at the same size, the engine can in theory provide twice the power.
두 번째로, 본 발명의 엔진은 내연 엔진이지만, 보다 중요하게는 증기 엔진이기도 하므로, 내연 기관 또는 ICSE의 명칭이다. 실제로, 본 발명의 엔진에서, 연소에 의해 생성된 열은 전용 물 분사기에 의한 연소의 필수적 완료 후에 분사된 물을 증발시키기 위해 후자가 완료된 후 즉시 사용되어, 보다 높은 가스 압력을 생성하여 회전하는 크랭크 축에 더 많은 동력을 생성한다. 과열된 증기의 온도가 감소함에 따라, 실린더 내부의 압력이 증가한다. 적절한 양의 물 주입은 연료 만 연소하는 것에 비해 약 5% 더 많은 동력을 제공하는 것으로 나타났다. 그러나 연소가 일어난 직후에 물을 분사하는 것에서 훨씬 더 중요한 이점이 있다: 실린더 내부의 열에 의해 증발한 물은 연소 챔버 내의 온도를 감소시키므로, 각각의 사이클에서 점화가 발생하는 종래의 2-행정 엔진에 비해, 실린더 블록과 실린더 헤드의 열 변형을 현저히 감소시킨다. 더욱이, 분사된 물의 증발로 인한 즉각적인 냉각으로 인해, 엔진의 전반적 냉각이 간단해 질 수 있으며, 이는 결국 엔진의 중량을 감소시킨다. 또한, 증기보다는 물을 주입하는 것이 더 쉬운 공정이며 보다 신뢰성 있고 (더 저렴한) 부품을 사용하고, 작업이 덜 요구된다.Secondly, the engine of the present invention is an internal combustion engine, but more importantly, it is also a steam engine, so it is the name of an internal combustion engine or ICSE. Indeed, in the engine of the present invention, the heat generated by combustion is used immediately after the latter is completed to evaporate the water sprayed after the necessary completion of the combustion by the dedicated water injector, producing a higher gas pressure, Generates more power on the shaft. As the temperature of the superheated steam decreases, the pressure inside the cylinder increases. The proper amount of water injection has been shown to provide about 5% more power than burning only fuel. However, there is a much more significant advantage in spraying water immediately after combustion occurs: the water vaporized by the heat inside the cylinder reduces the temperature in the combustion chamber, so that in conventional two-stroke engines where ignition occurs in each cycle The thermal deformation of the cylinder block and the cylinder head is remarkably reduced. Moreover, due to immediate cooling due to evaporation of the injected water, the overall cooling of the engine can be simplified, which in turn reduces the weight of the engine. In addition, it is easier to inject water than steam, more reliable (cheaper) parts are used, and less work is required.
산화제가 공기 (따라서 주로 질소)인 경우 본 발명의 세 번째 중요한 이점은 연소 직후의 물 주입으로 인해 연소 챔버 내부의 온도가 급격히 감소하여, 환경적으로 유해한 NOx형성 리스크를 현저히 감소시키는데 있다. 이는 결과적으로 (국내 및 국제 규제들을 충족하기 위해) NOx를 N2로 감소시키는 복잡한 시스템들 및 첨가물에 대한 필요성을 감소시킨다.A third important advantage of the present invention when the oxidant is air (and thus mainly nitrogen) is that the temperature inside the combustion chamber is drastically reduced due to water injection immediately after combustion, thereby significantly reducing the environmentally harmful NO x formation risk. This in turn reduces the need for complex systems and additives to reduce NO x to N 2 (to meet domestic and international regulations).
본 발명의 네 번째 이점은 연소 직후에 발생하는 최대 토크가 스파크 후 작은 각도에서 완성되는 기존의 ICE와는 달리, 주입된 모든 물이 과열된 증기로 전환된 후 증기 엔진 최대 토크가 발생하여 레버 암이 현저히 더 커지는 데 있다.The fourth advantage of the present invention is that unlike the conventional ICE, in which the maximum torque generated immediately after the combustion is completed at a small angle after the spark, all the injected water is converted into superheated steam and then the steam engine maximum torque is generated, It is remarkably bigger.
"상사 점"및 "하사 점"이라는 표현은 종래의 왕복 운동 엔진에서 일반적으로 알려진 표현이며, 왕복 운동 축을 따라 실린더 내에서 피스톤의 양 단부 위치 또는 보다 상세하게는 피스톤의 상부 위치를 지칭한다. 상사 점은 피스톤이 크랭크축으로부터 원위에 있을 때의 위치이며, 하사 점은 크랭크축의 근위 위치이다. 왕복 축을 따르는 위치는 일반적으로 크랭크축의 회전 중심에 대해, 사점 중 하나로부터의 각도 (°)로 부여된다. 상기 표현은 종종 "이후" 또는 "이전"이라는 전치사가 따른다. 예를 들어: "5도 상사 점 이전"(5° btdc로 축약)은 피스톤의 상단이 크랭크축의 회전 각도에 상응하는 왕복 축을 따라 상사 점에 대해 -5°에 위치함을 의미한다. "상사 점에서 -5°에서 +5°" 사이 범위의 표기법은 "상사 점 5° 전부터 상사 점 5° 후" 또는 "5° btdc 내지 5° atdc"에 해당한다.The terms " top dead center " and " bottom dead center " are commonly known expressions in conventional reciprocating engines and refer to both end positions of the pistons in the cylinder along the reciprocating axis, or more specifically, the upper positions of the pistons. The top dead center is the position when the piston is on a circle from the crank shaft, and the bottom dead center is the proximal position of the crank shaft. The position along the reciprocating axis is generally given by the angle (deg.) From one of the dead spots, with respect to the rotational center of the crankshaft. The expression is often followed by the preposition "after" or "before". For example: "5 degrees prior to top dead center" (reduced to 5 degrees btdc) means that the top of the piston is located at -5 degrees to the top dead center along a reciprocating axis corresponding to the rotational angle of the crankshaft. The notation in the range "between -5 ° and + 5 ° in top dead center" corresponds to "after top
ICSE 및 이를 작동시키는 방법에 관하여 본 발명의 더 바람직한 특징들 및 이점들이 하기에 기술된다.More preferred features and advantages of the present invention are described below with respect to ICSE and methods of operating it.
상기 기술된 바와 같이, 공급된 압축 가스 산화제는 일반적으로 압축된 산소 또는 압축 공기다. 일반적으로 엔진은 엔트로피적으로 바람직하게는 적어도 8:1, 보다 바람직하게는 적어도 10:1, 보다 더 바람직하게는 적어도 12: 1의 압축비로 압축된 스트로크 하부 대 스트로크 상부의 공기의 부피비와 연관된 압축 공기를 사용한다. As described above, the supplied compressed gas oxidant is generally compressed oxygen or compressed air. Generally, the engine is entropy-compressed, preferably associated with a volume ratio of air on top of the stroke under-pressurized stroke to a compression ratio of at least 8: 1, more preferably at least 10: 1, even more preferably at least 12: Use air.
흡기 밸브 (들) 및 배기 밸브 (들)는 임의의 적절한 유형의 밸브 일 수 있으며, 바람직하게는 거의 모든 4-행정 엔진, 슬라이딩 밸브 또는 회전 디스크 밸브에 사용되는 독립적인 포펫 밸브이고, 캠 샤프트와 같은 엔진 자체 (엔진은 따라서 액추에이터임) 또는 공압, 유압 또는 전기 액추에이터와 같은 별도의 액추에이터에 의해 구동된다. 예를 들어, 슬라이드 또는 스피닝 디스크로서 설계된 밸브 시스템은 유익하게는 배기 밸브의 폐쇄 이전에 흡기 밸브의 개방 및 하사 점에서 배기 밸브의 개폐 설정 타이밍을 허용 할 수 있다.The intake valve (s) and exhaust valve (s) may be any suitable type of valve, preferably an independent poppet valve for use with almost all four-stroke engines, sliding or rotating disc valves, The same engine itself (the engine is thus an actuator) or driven by a separate actuator such as a pneumatic, hydraulic or electric actuator. For example, a valve system designed as a slide or spinning disc may advantageously allow timing of opening and closing of the exhaust valve at the opening and bottom dead center of the intake valve prior to closing of the exhaust valve.
본 발명의 ICSE는 피스톤의 헤드가 상사 점 이전에 90° 내지 20°, 바람직하게는 35° 내지 25°, 더 바람직하게는 약 30°의 왕복운동 위치에 있을 때 압축 산화제를 공급하도록 흡기 밸브를 개방하도록 구성되고, 상사 점 이전에 10° 내지 2°, 바람직하게는 약 5°에서 상기 흡기 밸브를 폐쇄하도록 구성되는 액추에이터를 더 포함 할 수 있다. 바람직하게는, ICSE는 또한 상기 피스톤의 상기 헤드가 하사 점으로부터 -21° 내지 + 15°, 바람직하게는 -10° 내지 +5°, 더 바람직하게는 0°의 왕복운동 위치에 있을 때 배기 가스를 배출하도록 배기 밸브를 개방하도록 구성되고, 상사 점 이전에 25° 내지 5°, 바람직하게는 20° 내지 10°, 더 바람직하게는 약 15°에서 상기 배기 밸브를 폐쇄하도록 구성되는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.The ICSE of the present invention allows an intake valve to be provided to supply the compressed oxidant when the head of the piston is in a reciprocating position of 90 [deg.] To 20 [deg.], Preferably 35 [deg.] To 25 [ And may further comprise an actuator configured to close the intake valve at 10 [deg.] To 2 [deg.], Preferably at about 5 [deg.] Prior to top dead center. Preferably, the ICSE is also such that when the head of the piston is in a reciprocating position of -21 DEG to + 15 DEG, preferably -10 DEG to + 5 DEG, more preferably 0 DEG from the bottom dead center, , And further comprises an actuator configured to close the exhaust valve at 25 [deg.] To 5 [deg.], Preferably 20 [deg.] To 10 [deg.], And more preferably at about 15 [ can do.
본 발명의 엔진에 공급하는데 사용될 수 있는 연료는 수소, 탄화수소 또는 관련된 산소-함유 분자와 같은 정상 상태에서 액체 또는 기체인 임의의 통상적인 연료 일 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명의 엔진은 정상 상태에서 기체인 연료로 작동된다. 특히, 바람직한 연료는 수소; 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 또는 천연 가스에서 선택된다.The fuel that may be used to feed the engine of the present invention may be any conventional fuel that is liquid or gaseous in steady state, such as hydrogen, hydrocarbons, or related oxygen-containing molecules. In a particularly preferred embodiment, the engine of the present invention is operated with the fuel being a gas in a steady state. In particular, preferred fuels are hydrogen; Methane, ethane, propane, butane or natural gas.
특히 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연료 분사기 (들)은 상사 점으로부터 -5° 내지 +5° 사이, 바람직하게는 0°에서 연료를 분사하도록 구성되고, 스파크 플러그는 연료 분사기 폐쇄된 후 즉시 점화하도록 구성된다.In particular, in a preferred embodiment of the present invention, the fuel injector (s) are configured to inject fuel at a temperature between -5 ° and + 5 °, preferably at 0 °, from the top dead center and the spark plug is ignited immediately after the fuel injector is closed .
전용 연료 분사기(들)은 유리하게는 상사 점 이후 5° 내지 40° 사이, 바람직하게는 7.5° 내지 30°에서 연소 챔버 내로 물을 분사하도록 구성된다.The dedicated fuel injector (s) are advantageously configured to inject water into the combustion chamber at between 5 [deg.] And 40 [deg.], Preferably between 7.5 [deg.] And 30 [deg.] After top dead center.
가장 바람직한 실시예에서, 공기가 산화제이고 H2가 연료인 경우, 연소 챔버 내로 분사된 물의 질량은 연소 챔버 내부의 연소 기체의 질량의 0.8 내지 1.5, 바람직하게는0.9 내지 1.2를 나타낸다 (즉, 상기 지칭된 단계 (c)이후). 이러한 값은 공기를 산화제로 하여 산출되었다. 산화제로서의 O2의 경우, 보다 많은 양의 물이 바람직하고, 특히 연소 생성물의 질량의 4 또는 5 배 (또는 그 이상)가 바람직하다. 본 발명의 ICSE는 일반적으로 물 분사기에 공급하는 물 탱크뿐 만 아니라, 배기 밸브의 하류에 콘덴서부를 더 포함 한다. 이 콘덴서부, 예를 들면 열 교환기가 배기 가스로부터 물로 응축된 증기를 응축하기 위해 구비 될 수 있으며, 이후 물 탱크로 안내를 통해 공급 될 수 있다. 이러한 증기 생성을 위해 사용되는 물의 재활용은 운송되는 물의 양이 일반적으로 제한되어야 하는 ICSE의 이동성 응용 분야에 있어서 특히 중요하다. 또한 물을 재활용하면 물 보충 횟수가 감소한다. 또한, 배출된 증기를 여과하기 위한 여과 수단이 제공 될 수 있다. 물 탱크는 통상적인 충전 캡에 의한 물 충전 및 응축된 배수에 의한 충전을 위해 설계되는 것이 바람직하다.In the most preferred embodiment, when air is an oxidant and H 2 is a fuel, the mass of water injected into the combustion chamber represents 0.8 to 1.5, preferably 0.9 to 1.2, of the mass of combustion gas inside the combustion chamber After the named step (c)). These values were calculated using air as the oxidizing agent. In the case of O2 as the oxidizing agent, a larger amount of water is preferred, and especially 4 or 5 times (or more) the mass of the combustion products. The ICSE of the present invention generally includes not only a water tank for supplying water to the water injector but also a condenser section downstream of the exhaust valve. This condenser section, for example a heat exchanger, may be provided for condensing the vapor condensed into water from the exhaust gas, and then fed to the water tank by guiding. Recycling of the water used for such steam generation is particularly important in the mobile application of the ICSE where the amount of water transported is generally limited. Also, recycling water reduces the number of water replenishments. In addition, filtration means for filtering exhausted vapors may be provided. The water tank is preferably designed for water filling by a conventional filling cap and filling by condensed drainage.
본 발명의 ICSE는 엔진의 하나 이상의 특성 또는 작동 방법, 예를 들어 흡기 밸브의 개폐, 배기 밸브의 개폐, 연료 분사의 타이밍 및 양, 물 분사의 타이밍 및 양, 산화제 압력, 점화 타이밍, 외부 압축기 등을 제어하도록 구성된 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 제어부는 밸브 타이밍, 공기 질량 및 압력 분사, 연료 분사량 및 타이밍, 점화, 물 분사량 및 타이밍, 엔진 듀티의 시작과 끝에서의 물 분사 사양 등을 동시에 제어하기 위한 전용 소프트웨어로 구성된 엔진 기능 및 성능을 적절히 제어하기 위한 수단을 제공 할 것이다. The ICSE of the present invention may be applied to one or more characteristics or operating methods of an engine such as opening and closing of an intake valve, opening and closing of an exhaust valve, timing and amount of fuel injection, timing and amount of water injection, oxidant pressure, And a control unit configured to control the display unit. Generally, the control unit has an engine function composed of dedicated software for simultaneously controlling valve timing, air mass and pressure injection, fuel injection amount and timing, ignition, water injection amount and timing, water injection specification at the start and end of engine duty, It will provide a means to properly control performance.
물론, 본 발명의 ICSE는 종래의 ICE들과 동일한 방식으로 복수의 실린더로 구성 될 수 있다. 또한, 이들 실린더 각각은 바람직하게는 연소 챔버의 둘레를 따라 분포된 복수의 물 분사기들을 포함 할 수 있다. 물 분사기는 연소 챔버 내부에 위치 하는 실린더의 임의의 위치에 배치 될 수 있다. 연료/산화제 혼합물의 점화로 인해 피스톤이 아래로 움직이면서, 피스톤 헤드가 상사 점을 지나 약 5° 내지 35° 위치에 있을 때 물이 분사 될 수 있다. 물 분사기들이 연소 챔버에 연결되면서, 이는 크랭크축이 상사 점 위치에 대해 0° 내지 35°, 바람직하게는 5° 내지25°의 회전 각도에 있는 경우 상사 점 및 피스톤의 상부의 위치 사이의 영역에 바람직하게 배치된다. 물 분사기는 연소실에 접근 할 수 있기 때문에 크랭크축이> 0 내지 35°, 바람직하게는> 0°의 회전 각으로 있을 때 피스톤 상단의 위치와 상사 점 사이의 영역에 위치하는 것이 바람직하다. 상사 점에 비해 5 ~ 25° Of course, the ICSE of the present invention can be composed of a plurality of cylinders in the same manner as conventional ICEs. In addition, each of these cylinders may preferably include a plurality of water injectors distributed along the circumference of the combustion chamber. The water injector may be disposed at any position of the cylinder located inside the combustion chamber. As the piston moves down due to the ignition of the fuel / oxidant mixture, the water may be injected when the piston head is in the position of about 5 ° to 35 ° past the top dead center. As the water injectors are connected to the combustion chamber, this results in a region between the top dead center and the top position of the piston when the crankshaft is at a rotational angle of 0 [deg.] To 35 [deg.], Preferably 5 [ Respectively. The water injector is preferably located in the region between the upper end position of the piston and the top dead center when the crankshaft is at a rotational angle of > 0 to 35 DEG, preferably > 0 DEG, because the water injector is accessible to the combustion chamber. 5 ~ 25 ° relative to top point
선택적 또는 부가적으로, 본 발명의 ICSE는 왕복 축에 대해 상이한 위치들에, 즉 왕복 운동 축을 따라 적층되거나 또는 상기 왕복 축에 대해 비스듬히 상사 점과 상이한 레벨에 위치된 복수의 물 분사기를 포함 할 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 상기 복수의 물 분사기 각각의 물 분사는, 예를 들어, 엔진의 회전 속도에 따라 개별적으로 조절된다.Alternatively or additionally, the ICSE of the present invention may comprise a plurality of water injectors stacked at different positions with respect to the reciprocating axis, i. E. Along a reciprocating axis, or at a level different from the top dead center relative to the reciprocating axis have. In a particularly preferred embodiment, the water injection of each of the plurality of water injectors is individually adjusted, for example, in accordance with the rotational speed of the engine.
하나 이상의 물 분사기는 일반적으로 350 내지 400 bar의 압력에서 작동하는 고압 펌프를 사용하여, 고압에서 미세한 증기의 형태로 물을 분사하도록 배치되는 것이 바람직하다. 물 분사기는 바람직하게는 그 분무 특성 및 실린더 헤드 주위의 위치가 연소 후에 분사된 물의 완전한 분무를 보장하여, 연소 후 화염 움직임 특성과 일치하는 각진 분무 패턴에 결합된 미세 증기를 생성하도록 배치되는데, 예를 들어 상사 점의 방향으로 왕복 축에 대해 90° 이상, 바람직하게는 92.5° 및 150° 사이, 더 바람직하게는 95° 및 130°사이 의 각도이다. 특히 바람직한 본 발명의 변형에 있어서, 상기 각도는 제어부에 의해 제어 및 조절 될 수 있다.Preferably, the at least one water injector is arranged to inject water in the form of fine vapor at high pressure, using a high pressure pump operating at a pressure of typically 350 to 400 bar. The water injector is preferably arranged to ensure that its spray characteristics and the position around the cylinder head ensure complete atomization of the water injected after combustion to produce micro-vapors coupled to the angled spray pattern consistent with post-combustion flame movement characteristics, To 90 DEG or more, preferably between 92.5 DEG and 150 DEG, more preferably between 95 DEG and 130 DEG relative to the reciprocating axis in the direction of the top dead center. In a particularly preferred variant of the invention, said angle can be controlled and adjusted by the control part.
본 발명의 ICSE의 부품들의 일부는 기존의 ICE들로부터 공지된 대응 하는 부품들과 상당히 유사하지만, 이들 부품들의 일부는 특히 가장 바람직한 일부 실시예에서 매우 특별한 특징을 가질 수 있다. Some of the components of the ICSE of the present invention are substantially similar to the corresponding components known from conventional ICEs, but some of these components may have very special characteristics, especially in some of the most preferred embodiments.
예를 들어, 연소 챔버를 대면하는 피스톤의 헤드는 바람직하게는 형성된 과열 증기의 효과를 향상시키는 내측으로 굴곡진 면을 가지며, 증기 팽창 동안에 피스톤에서 최대 압력을 얻기 위한 목적으로 과열된 증기 특성을 최대한 활용할 수 있게 한다.For example, the head of the piston facing the combustion chamber preferably has an inwardly curved surface that enhances the effect of the superheated steam formed, and maximizes the superheated steam characteristic for the purpose of obtaining maximum pressure in the piston during vapor expansion To be used.
ICSE의 케이싱은 일반적으로 실린더 헤드 및 실린더 블록을 포함한다. ICSE의 헤드는 연료/산화제 혼합물의 연소 후에 연속적으로 실린더 내로 직접 주입되는 일정량의 물의 예열을 가능하게 하는 방식으로 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 실린더 헤드는 피스톤 헤드의 상사 점의 약 25°의 거리를 감싸도록 유리하게 구성 될 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 물 분사기는 실린더 헤드와 실린더 블록 사이에 편리하게 배치 될 수 있다.The casing of the ICSE typically includes a cylinder head and a cylinder block. The head of the ICSE is preferably designed in such a way as to enable preheating of a quantity of water which is continuously injected directly into the cylinder after combustion of the fuel / oxidizer mixture. Also, the cylinder head can be advantageously constructed to enclose a distance of about 25 degrees of the top dead center of the piston head. In this case, one or more water injectors can be conveniently located between the cylinder head and the cylinder block.
본 발명의 ICSE는 화염 속도를 증가시키도록 다중-스파크 플러그 점화 수단 또는 실린더 당 하나 이상의 스파크 플러그를 포함할 수 있다.The ICSE of the present invention may include multi-spark plug ignition means or one or more spark plugs per cylinder to increase the flame speed.
본원에 설명된 스파크된 왕복 2-행정 내연 증기 엔진 (ICSE)의 작동 방법은 연료 연소가 본질적으로 완료되면 연료, 압축 산화제 및 이어서 물을 공급하여 ICSE를 운행하는 단계를 일반적으로 포함한다. 특히 상기 방법은 크랭크축 회전 및 피스톤의 대응하는 왕복 운동의 각각 사이클에서 하기 단계를 포함한다:The method of operation of the sparked reciprocating two-stroke internal combustion steam engine (ICSE) described herein generally includes the step of operating the ICSE by supplying fuel, compressed oxidant, and then water, when the fuel combustion is essentially complete. In particular, the method comprises the following steps in each cycle of crankshaft rotation and corresponding reciprocating motion of the piston:
(a) 피스톤의 헤드가 상사 점 이전 90° 내지 20°, 바람직하게는 약35° 내지 25°, 더 바람직하게는 약30°에서 왕복운동 위치에 있는 경우 압축 산화제를 공급하도록 흡기 밸브를 개방하고, 상사 점 이전 10° 내지 2°, 바람직하게는 약5°에서 상기 흡기 밸브를 폐쇄하는 단계.(a) When the head of the piston is in the reciprocation position at 90 to 20 degrees before the top dead center, preferably at about 35 to 25 degrees, more preferably at about 30 degrees, the intake valve is opened to supply the compressed oxidizing agent, Closing the intake valve at a previous 10 ° to 2 °, preferably at about 5 °.
바람직하게는, 흡기 밸브의 개폐는 바람직하게 각각의 사이클 마다, 소정의 범위 내의 값에 의해 조절될 수 있다Preferably, the opening and closing of the intake valve can be adjusted by a value within a predetermined range, preferably for each cycle
또한 상기 방법은 크랭크축 회전 및 피스톤의 대응하는 왕복 운동의 각각 사이클에서 하기 단계를 더 포함한다:The method also includes the following steps in each cycle of crankshaft rotation and corresponding reciprocating motion of the piston:
(b) 피스톤의 헤드가 하사 점으로부터 -21° 내지 +15°, 바람직하게는 -10° 내지 +5°, 더 바람직하게는 0°에서 왕복운동 위치에 있는 경우 배기 가스를 방출하도록 배기 밸브를 개방하고, 상사 점 이전 25° 내지 5°, 바람직하게는 20° 내지 10°, 더 바람직하게는15°에서 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 단계.(b) The exhaust valve is opened so as to release the exhaust gas when the head of the piston is in the reciprocation position at -21 DEG to + 15 DEG, preferably -10 DEG to + 5 DEG, more preferably 0 DEG from the bottom dead center, Closing the exhaust valve at 25 ° to 5 °, preferably 20 ° to 10 °, more preferably at 15 ° before the top dead center.
바람직하게는, 배기 밸브의 개폐가 바람직하게 각각의 사이클마다, 소정의 범위 내의 값에 의해 조절될 수 있다.Preferably, opening and closing of the exhaust valve can be adjusted by a value within a predetermined range, preferably for each cycle.
작동 중에, 크랭크축 회전 및 피스톤의 대응하는 왕복 운동의 각각 사이클에서, 상기 방법은 하기의 단계를 바람직하게는 포함한다.During operation, in each cycle of crankshaft rotation and corresponding reciprocating motion of the piston, the method preferably comprises the following steps.
(c) 상사 점으로부터 -5° 내지 +5°의 범위, 바람직하게는 0° 에서 연료를 분사하고 연료 분사기의 폐쇄 직후에 스파크 플러그를 점화하는 단계.(c) Injecting the fuel at a range of -5 ° to + 5 °, preferably 0 °, from the top dead point and igniting the spark plug immediately after closing of the fuel injector.
상기 방법에서 물의 분사는 하기 단계에 의해, 크랭크축 회전 및 피스톤의 대응하는 왕복 운동의 각각 사이클에서 수행될 수 있다: The injection of water in the method can be carried out in each cycle of crankshaft rotation and corresponding reciprocating motion of the piston by the following steps:
(d) 상사 점 이후 5° 내지 40°, 바람직하게는 7.5° 내지 30° 에서 연소 챔버 내로 물을 분사하는 단계.(d) Spraying water into the combustion chamber at 5 to 40 degrees, preferably 7.5 to 30 degrees after top dead center.
연료 또는 물, 또는 두 가지 모두의 분사가 바람직하게 각각의 사이클마다, 소정의 범위 내에서 유리하게 조절될 수 있다.The injection of fuel or water, or both, can advantageously be adjusted advantageously within a given range for each cycle.
결과적으로, 피스톤 동작의 상당한 부분을 제공하는 작동 유액으로서 물을 사용하기 때문에 ICSE는 증기 엔진이라고 지칭할 수 있다. 나아가 산화제가 외부 공급원으로부터 제공된 압축 산소 또는 압축 공기 중 하나 이므로 이는 2-행정 내연 엔진이다. 산화제는 피스톤이 TDC에 인접하고, 유입구 밸브가 폐쇄되고, 연료가 직접 주입되고 스파크 점화가 이어지면 실린더에 제공된다.As a result, the ICSE can be referred to as a steam engine because it uses water as the working fluid to provide a substantial portion of the piston motion. Further, since the oxidant is one of compressed oxygen or compressed air provided from an external source, it is a two-stroke internal combustion engine. The oxidizer is provided to the cylinder when the piston is adjacent to the TDC, the inlet valve is closed, the fuel is injected directly and the spark ignition is continued.
실린더의 직경 및 적합한 고전압 자동차 코일에 따라서 하나 이상으로 스파크 플러그 사용을 통해서 점화가 달성된다. 일반적으로 하나의 플러그로 충분하지만; 실린더 내로 주입된 연료가 피스톤이 상사 점으로부터 약 25° 이동하기 전에 완전히 연소되기에 충분한 화염 속도를 가지지 않으면, 2 개 이상의 플러그가 바람직하거나 필요할 수 있다. 이는 물이 추가될 때 연소가 본질적으로 완료되는 것을 보장되기 때문이다. 제어부는 바람직하게는 점화 및 물 추가 두 가지 모두를 제어할 것이다. 주입되는 연료의 양은 화학량적인 혼합물의 양과 유사하다. 연소가 (거의) 완성되는 지점에서, 물 액체는 블록의 상부 및 헤드 사이에 맞는 스페이서를 통해 실린더 내로 바람직하게 주입된다.Ignition is achieved through the use of a spark plug in accordance with one or more of the diameter of the cylinder and the appropriate high voltage automotive coil. Usually one plug is enough; More than two plugs may be desirable or necessary if the fuel injected into the cylinder does not have a flame velocity sufficient to completely burn before the piston travels about 25 degrees from the top dead center. This is because it is ensured that combustion is essentially complete when water is added. The control unit will preferably control both ignition and water addition. The amount of fuel injected is similar to the amount of stoichiometric mixture. At the point where combustion is (almost) complete, the water liquid is preferably injected into the cylinder through a spacer that fits between the top of the block and the head.
연료가 수소이고 산화제가 기체상 산소인 경우, 엔진내의 매체는 과열된 물이어야 할 것이고 배기가스가 물 만을 포함한다는 의미에서 진정한 내연 증기 엔진이다.When the fuel is hydrogen and the oxidizer is gaseous oxygen, the medium in the engine should be superheated water and is a true internal combustion engine in the sense that the exhaust gas contains only water.
산화제가 공기인 경우, 과열된 수증기 및 질소 가스의 혼합물로 작용할 것이다. 열역학적 분석은 공기의 중량과 동일한 물을 추가하여 높은 NOx를 생성하지 않고 동일한 질량의 공기에 비해 5% 더 많이 생성할 것이다.If the oxidant is air, it will act as a mixture of superheated steam and nitrogen gas. The thermodynamic analysis would produce 5% more air than the same mass of air without producing high NO x by adding water equal to the weight of the air.
엔진은 물이 응축되기 시작할 때까지 또는 압력이 대기압에 가까워질 때까지 혼합물이 팽창될 수 있도록 설계될 수 있다.The engine can be designed to allow the mixture to expand until the water starts to condense or until the pressure is close to atmospheric pressure.
피스톤의 상향 운동은 배기 밸브를 통해 기체 및 증기를 상승시킬 것이다.The upward motion of the piston will raise the gas and vapor through the exhaust valve.
산화제로 공기를 사용하면서 피스톤이 TDC에 도달하기 전에, 흡기 밸브는 개방되고 산화제는 잔여 기체 및 수증기를 밀어내는 것을 도울 것이다. (공기 대신에 산소를 사용하는 경우, 남아 있는 소량의 물은 장기간 미사용되어 남을 경우의 녹스는 것을 방지하지 위해 제거되어야 하는 시점인 엔진이 꺼지기 전에 방출될 필요가 없다.)Before using the air as the oxidizer and before the piston reaches the TDC, the intake valve will open and the oxidant will help to push out the residual gas and water vapor. (If oxygen is used instead of air, the remaining small amount of water does not need to be released before the engine, which is the point at which it must be removed to prevent rusting if left unused for a long period of time.)
연료는 바람직하게는 즉시 분사되고, 분사기 및 흡기 밸브가 폐쇄되면, 엔진은 점화되어 사이클을 반복한다.The fuel is preferably injected immediately, and when the injector and the intake valve are closed, the engine is ignited and repeats the cycle.
상기 프로세스는 단일 실린더에 대해 기술된다. 4-기통 엔진의 경우, 실린더1 및 4는 일반적으로 같이 작동되고, 따라서 실린더2 및 3 는 엔진의 균형을 보장하기 위해 같이 작동된다.The process is described for a single cylinder. In the case of a four-cylinder engine,
상기 기술된 바와 같이, 공기 또는 물 냉각 콘덴서를 사용하여, 연소 가스로부터 물을 회수하고 이를 재사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 일반적인 연료 탱크를 위한 엔진의 작동 시간 동안 물을 운반하는 것에 비해 더 낮은 무게로 별도 시스템이 달성될 수 있다면 이러한 시스템이 추가될 수 있다. 이는 O2 를 산화제로 사용하는 경우에 가장 가능성이 높다. 산화제로 공기가 사용되면, 비-응축성N2 는 콘덴서를 상대적으로 커지게 만든다. 저동력 조건 및 충분히 작은 양으로 작동되도록 만들어질 수 있는 경우, N2 및 수증기를 분리하는 사용가능한 수단은 분자체(molecular sieve)를 사용하는 것이다.As described above, it is possible to recover water from the combustion gas and reuse it by using an air or water cooling condenser. Such a system can be added if, for example, a separate system can be achieved at a lower weight compared to transporting water during the operating time of the engine for a typical fuel tank. This is most likely when O 2 is used as the oxidizing agent. When air is used as the oxidant, non-condensable N 2 makes the condenser relatively large. A usable means of separating N 2 and water vapor, if it can be made to operate in low power conditions and in sufficiently small amounts, is to use a molecular sieve.
산화제가 공기인 경우, 차량에서 엔진의 사용은 원칙적으로 엔진을 적어도 3,000rpm까지 작동시키는데 필요한 속도로 공기를 압축할 수 있는 압축기를 필요로 할 것이다. 두 배의 마력의4-행정 엔진에서 요구되는 공기의 질량 유동의 또는 그 정도로 압력을 공급하는 속도와 동일하거나 더 큰 속도로 공기가 전달 되야 한다. 일반적으로 350 내지400 kPaat의 주변 온도가 충족시킬 수 있을 것이다. 즉, 4-기통 2-행정 ICSE는 변위가 두 배인 8-기통 4-행정 엔진과 동일할 것이다.If the oxidant is air, the use of the engine in a vehicle will in principle require a compressor capable of compressing the air at a rate necessary to operate the engine at least up to 3,000 rpm. Air must be delivered at a rate equal to or greater than the rate at which pressure is supplied to or to the mass flow of air required in a double horsepower 4-stroke engine. Generally, an ambient temperature of 350 to 400 kPaat may be met. That is, the 4-cylinder 2-stroke ICSE will be the same as the 8-cylinder 4-stroke engine with double displacement.
이러한 압축기는 적합한 시브를 갖는 벨트 또는 체인 시스템을 통해 구동될 수 있다. 또한 이는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다.Such a compressor can be driven through a belt or chain system with a suitable sheave. It can also be driven by an electric motor.
공기 공급 시스템은 일반적으로 저장 탱크를 필요로 할 수 있고, 4-행정 엔진에서 질량 유속의 1 배 또는 2 배와 같아질 수 있도록, 이는 엔진 구역 내에서 주변 온도에서 가압된 공기를 공급할 것이다. The air supply system will typically supply a pressurized air at ambient temperature within the engine compartment such that it may require a storage tank and equal to one or two times the mass flow rate in a four-stroke engine.
엔진의 밸브 시스템에 있어서, 종래의 포펫 밸브가 사용될 수 있지만, 개구가 너무 제한될 수 있다. ICSE는 대신에 배기 및 흡기 유동 모두를 위해 포트들을 포함하는 슬라이딩 또는 회전 디스크 밸브를 사용할 수 있다. 밸브 플레이트는 밸브들의 개폐에 있어서 전술된 오버랩을 제공하여, 제어를 단순화할 수 있다.In a valve system of an engine, a conventional poppet valve can be used, but the opening can be too limited. The ICSE may instead use a sliding or rotating disc valve that includes ports for both exhaust and intake flow. The valve plate provides the aforementioned overlap in the opening and closing of the valves, so that the control can be simplified.
또한 이는 엔진의 전자기기 또는 컴퓨터 제어를 보다 용이하게 하고 밸브를 제어하는 캠(cam)의 필요성을 제거할 것이다.This will also eliminate the need for a cam to facilitate electronic control or computer control of the engine and to control the valve.
상이한 연료들의 시험은 예를 들어 단순히 플레이트를 바꾸거나 제어부 내의 제어 파라미터를 변경함으로써 상이한 밸브 타이밍을 사용할 필요가 있을 것이다. 그러나, H2에 대한 단일 설계가 제시된 임의의 가스 연료에 적합할 것으로 간주된다.Testing of different fuels would require the use of different valve timing, for example simply by changing the plate or changing the control parameters in the control. However, a single design for H 2 is considered suitable for any given gaseous fuel.
본원에 제공된 모든 명시적인 값은 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 대략적인 값으로 이해되어야 한다. 따라서, 상기 명시된 값들 각각은 상기 값보다 10% 아래 에서 10% 초과 사이의 범위의 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "약", "대략"또는 이와 유사한 단어와 함께 표시된 값은 상기 값보다 20% 아래 및 20% 초과 사이의 값 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.All explicit values provided herein should be understood to be approximate unless explicitly stated otherwise. Thus, it should be understood that each of the specified values includes values in the range between 10% and 10% above the value. It should be understood that values indicated with " about ", " approximately " or similar words include values in the range between 20% below and 20% above this value.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
이하의 설명은 본 발명에 따른 ICSE의 일부 실시예 및 변형예 및 ICSE를 동작시키는 방법을 기술한다. 이하의 설명은 첨부된 청구항의 범위를 제한하는 것이 아니라 오히려 본 발명의 현재 바람직한 구현예를 설명하기 위한 것이다.The following description describes some embodiments and variations of the ICSE and methods of operating the ICSE in accordance with the present invention. The following description is not intended to limit the scope of the appended claims, but rather to illustrate presently preferred embodiments of the invention.
도 1 및 도 4에도 도시된 바와 같이, 내연 증기 엔진 (ICSE) 자체는 내연 엔진에 공지된 것과 유사한 다수의 구성 요소들로 구성 된다. 이는 바람직하게는 고유하게 설계된 실린더 헤드, 다소 표준적인 실린더 블록, 및 크랭크축 (16)에 부착되어 피스톤 (1)의 왕복 운동을 크랭크축 (16)의 회전 운동으로 변화시키는 효과를 갖는 하나 이상의 피스톤 (1)으로 만들어진 엔진 케이싱을 갖는다.As also shown in Figures 1 and 4, the internal combustion engine (ICSE) itself is comprised of a number of components similar to those known in internal combustion engines. Which is preferably attached to a cylinder head, a somewhat standard cylinder block, and a
기본 가솔린 엔진은 4행정을 갖는데, 즉 1) 흡기 밸브를 통해 진공상태를 만들어 피스톤의 하향 운동으로 엔진 내로 공기를 흡기하는 흡기 행정, 및 2) 밸브가 폐쇄될 때 행정의 하부에서 피스톤의 상향 행정 동안에 공기를 단열적으로 압축하는 압축 행정이고, 내연 증기 엔진은 하나 이상의 흡기 밸브 (3A)를 상사 점 전 (btdc)에 개방하고 최종적으로 상사 점 (tdc)에서 폐쇄함을 통해 외부 압축 산화제 (공기 또는 산소)의 흡기를 활용한다. 본 발명의 맥락에서 "압축 산화제", "압축 공기"또는 "압축 산소"라는 표현은 산화제, 공기 또는 산소가 적어도 4 내지 7 bar 이상, 바람직하게는 5 bar 이상, 보다 바람직하게는 6 bar 이상의 매니폴드 절대 압력 (MAP, Manifold Absolute Pressure)에서 압축되는 것을 의미한다. 더 높은 압력은 더 많은 산화제 양을 제공하도록 한다. 엔진과 별도로 압축 공기를 도입하면 등 엔트로피 압축에 의해 엔진 내에서 압축이 수행되어 공기 압축이 이루어진 경우보다 흡기 온도가 상대적으로 낮아진다. 이는 더 낮은 흡기 온도가 연료 자기-점화의 가능성을 줄이는 동안 체적 당 더 높은 흡기 공기 질량을 초래할 것이다. 이는 결과적으로 더 높은 압축 비율을 사용할 수 있게 한다. 이들은 연소 온도 및 증발된 물의 양, 그리고 일반적으로 엔진 효율과 동력에 직접적인 영향을 줄 것이다. 압축 산화제 공급부 (9) 시스템은 그 가스 온도가 엔진 자체의 작동 온도의 함수가 아니라, 예를 들어 압축기 및 냉각 시스템 자체를 포함하는, 압축 산화제 공급부 자체에 의존하기 때문에 독특하다. 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같은 압축기는 센서들을 통해 엔진에 전자적으로 결합되는 것이 바람직하며, 이는 예를 들어 기화된 물뿐만 아니라 연소 온도와 같은 정보를 제공 할 것이다. 이들 파라미터들은 바람직하게는 제어부 (ICSE 제어부 미도시됨)에 의해 구동되는 전용 프로그램에 의해 산출되며, 이는 압축기가 필요한 공기 양 뿐만 아니라, 필요한 공기 압력을 발생시키도록 만들 것이다. 산화제 (공기 또는 O2) MAP 압력은 바람직하게는 4 내지 7 bar로 구성되어야 한다. 이미 언급된 바와 같이, 바람직한 압축기 제어 및 구성 요소는 별도의 설명으로 하기에 설명 될 것 이다.The basic gasoline engine has four strokes: 1) an intake stroke that creates a vacuum through the intake valve to draw air into the engine with a downward movement of the piston, and 2) an intake stroke, which, when the valve is closed, The internal combustion steam engine is a compression stroke in which the air is adiabatically compressed during the compression stroke of the internal combustion engine, and the internal combustion steam engine opens the at least one
밸브 (3A, 3B) 설계는 유입되는 공기가 실린더로부터 배기 가스를 완전히 쓸어 내도록 하는 것이 바람직하다. 헤드의 개구들은 유입 공기가 배기 포트로부터 멀어져 연소 챔버 (17) 주위로 흐르도록 유도하고 배기 가스를 밀어내는 바람직하게는 원형 눈물 모양의 쉘 오목부일 것이고, 바람직하게는 유사한 눈물 모양의 오목부를 활용하여 공기 및 배기 가스를 출구 포트 밖으로 향하게 한다.
ICSE가 포펫 밸브 (3A, 3B)를 이용할 수 있지만, 이러한 유형의 밸브는 일반적으로 실린더의 상부 아래에 제공되어야 하는 최소 거리를 제한한다. 이러한 가능성의 문제를 극복하기 위해 다른 종류의 밸브들이 사용될 수 있다. 회전 디스크 또는 슬라이딩 플레이트 타입의 밸브가 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 타입의 밸브들은 피스톤 (1)이 실린더의 상부에 매우 가까워 질 수 있게 한다. 잠재적으로, 이들은 솔레노이드와 같은 액추에이터를 사용하여 ICSE 제어부에 의해 작동 될 수 있다. 대안적으로, 이들은 또한 스프링에 의해 대향될 디스크를 회전 시키도록 설계된 연결부를 갖는 오버 헤드 캠 샤프트로부터 멀어질 수 있거나, 바 타입 슬라이드의 경우에는 캠에 의해 직접 활성화되고 대향하는 스프링이 밸브를 초기 폐쇄 위치로 복귀시킨다. 슬라이딩 밸브 또는 디스크는 실린더의 상부 면과 함께 편평해지도록 설계 될 수 있다. 이러한 설계는 피스톤을 향하는 면에서 더 좁고, 슬라이드 또는 디스크의 원주의 측면 주위에서 누설의 가능성을 최소화하도록 상부에서 더 넓은 측면 치수로 구성 될 것이다.Although ICSE can use
반대로 슬라이드는 실린더 상단 위로 좁은 거리에 있을 수 있다. 후자의 경우, 실린더의 상부는 배출 및 유입되는 공기의 흐름을 만들도록 눈물 방울 형태의 매우 얕은 오목부들을 가질 수 있다. 밸브 개구들이 시간 상 겹쳐지면, 유입 공기가 챔버로부터 모든 배기 연소 가스를 쓸어 내는 것을 지원 할 수 있다. 이 상황에서, ICSE는 하사 점 (배기 밸브 개방 지점)의 가스가 대기압 또는 수증기가 초기 응축에 도달한 지점에서의 압력으로 작동 될 수 있다.Conversely, the slide may be at a narrow distance above the top of the cylinder. In the latter case, the top of the cylinder may have very shallow indentations in the form of teardrops to create a flow of exhaust and incoming air. If the valve openings overlap in time, the incoming air can assist in sweeping away all exhausted combustion gases from the chamber. In this situation, the ICSE can be operated at the pressure at the point where the gas at bottom dead center (exhaust valve opening point) reaches atmospheric pressure or vapor condensation.
내연 엔진 및 ICSE 둘 다에서, 연료는 하나 이상의 스파크 플러그 (5)를 통해 산화제 (공기 또는 O2)와 연료가 점화되는 상사 점에서 헤드에 위치된 4 제트를 통해 분사 될 수 있다 (기존의 내연 엔진들에서, 모터가 예비-점화 노크를 받는 상태에서, 기화기는 엔진 진입 했을 때 저압 공기에 액체 연료를 분사했을 것이다. 이러한 이유로 현재의 내연 엔진은 희박한 상태로 운행된다.) ICSE는 바람직하게는 수소, 메탄 또는 프로판과 같은 기체 연료만을 사용하며, 4 개 이상의 제트와 같은 1 개 이상의 제트로부터 바람직하게 분사되고 엔진이 화학량적으로 작동되더라도 노킹을 받지 않을 것이다.In both the internal combustion engine and the ICSE, the fuel may be injected through one or
상승된 압력에서 증기를 발생시키기 위해 물에 첨가되는 열은 상기 압력에서의 엔탈피에서 400 kPa의 포화된 상태에서의 액체 물의 엔탈피를 뺀 값이다. 팽창에 의해 수행되는 작업은 고압에서의 엔탈피에서 배기 가스에서의 엔탈피를 뺀 값이다. 증기 팽창 프로세스의 효율은 작업량을 첨가된 열로 나눈 것이다. 첨가된 열은 엔진 피스톤을 구동하기 위해 증기로 변환되는 물과 혼합되는 연료/공기 또는 산소의 연소 가스로부터 획득된다. The heat added to the water to generate the steam at the elevated pressure is the enthalpy at that pressure minus the enthalpy of the liquid water in the saturated state of 400 kPa. The work performed by the expansion is the enthalpy at high pressure minus the enthalpy in the exhaust gas. The efficiency of the steam expansion process is the work divided by the added heat. The added heat is obtained from the combustion gas of fuel / air or oxygen mixed with the water converted into steam to drive the engine piston.
특히 바람직한 실시예에서, 상사 점에서 바람직하게는 약간 오목한 피스톤 표면의 상부 및 헤더에 의해 형성된 연소 챔버의 형상은 짧은 축 (8) 주위에서 회전 타원을 형성 할 것이다. 이는 고속 가스 연료 제트를 만들어, 산화제와의 보다 양호한 혼합을 위해 방사상 외측뿐 만 아니라 상향으로 가스를 이동시켜 더 확실하게 혼합시킬 것이다. 화염 전방부는 연소 챔버를 통해 8m/s 이상의 속도로 빠르게 이동할 것이며 미사용 연료는 남지 않으며, 피스톤 상부의 형상이 불량 순환 영역으로 이어지는 경우 문제가 될 수 있다. 또한 미세하게 분산된 물의 원추형 제트가 기화되면서 도움이 될 것으로 예상된다.In a particularly preferred embodiment, the top of the piston surface, which is preferably slightly concave at the top dead center, and the shape of the combustion chamber formed by the header will form a rotating ellipse about the
연소가 끝날 때와 피스톤의 약간의 하향 운동 후에, 일반적으로 엔진 속도에 따라, 고압의 액체상 물이 실린더 (2)의 연소 챔버 (17) 내로 주입되고 기화하여, 연소 가스 온도를 낮추고 연소 챔버 (17) 내의 압력을 증가시켜서, 피스톤 (1)을 아래로 밀어주는 부가적인 동력을 제공한다.At the end of combustion and a slight downward movement of the piston, a high-pressure liquid phase is injected and vaporized into the
실린더로 진입하는 물의 양은 바람직하게는 연소 가스의 질량과 거의 같거나 그보다 크며, 물은 과열된 증기가 될 것이다. 연소 가스/증기 혼합물은 단열식으로 하사 점에서 저압으로 팽창하고 이후 상향으로 움직이는 피스톤에 의해 하나 이상의 배기 밸브를 통해 밀려 나올 것이다. 상사 점 이전 몇 도에서 신선한 산화제 (공기 또는 O2)는 엔진으로 진입하기 시작하여, 임의의 잔류 연소 가스를 배출시킬 것이다. The amount of water entering the cylinder is preferably approximately equal to or greater than the mass of the combustion gas, and the water will become superheated steam. The combustion gas / vapor mixture will be pushed through the at least one exhaust valve by a piston that expands in an adiabatic manner from low to low pressure and then moves upward. In the previous few degrees, the fresh oxidizing agent (air or O 2 ) will begin to enter the engine and vent any residual combustion gases.
H2 연료를 사용하는 3000 rpm으로 작동하는 ICSE의 경우, 화염면이 8 미터/초로 만 움직이는 경우 물 분사 지점은 일반적으로 크랭크축의 약 5° 내지 40°의 회전이 될 것이다. 1000 rpm으로 작동하는 ICSE의 경우, 물 분사는 상사 점 5°에서 10° 사이를 지나서야 시작될 수 있다. 연료가 수소이고 산화제가 순수한 산소인 경우, 연소 가스는 모두 증기다. 산화제가 공기인 경우, 배기 가스는 증기와 질소이다. 탄화수소 가스 또는 액체가 연료인 경우, N2와 증기뿐만 아니라 CO2도 발생할 것이다. 미국 에너지부 (USDOE)가 4-행정 H2 동력 ICE에 첨가된 소량의 물조차도 NOx 생성을 획기적으로 감소 시킨다는 것을 보여준 것과 같이, 배기 가스에 NOx가 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 따라서 물 첨가가 많은 ICSE는 NOx가 거의 없거나 거의 없어야 한다.For ICSE operating at 3000 rpm using H 2 fuel, the water injection point will generally be about 5 ° to 40 ° of rotation of the crankshaft if the flame side only moves at 8 meters per second. For ICSEs operating at 1000 rpm, the water injection can only be started between 5 ° and 10 ° above the top dead center. If the fuel is hydrogen and the oxidant is pure oxygen, the combustion gases are all steam. If the oxidant is air, the exhaust gases are steam and nitrogen. If the hydrocarbon gas or liquid is fuel, N2 and steam as well as CO2 will also be generated. The US Department of Energy (USDOE) should have little or no NOx in the exhaust, as even a small amount of water added to the 4-stroke H2 powered ICE has shown dramatically reduced NOx production. Therefore, ICSE with high water addition should have little or no NOx.
열역학 계산에 따르면, ICSE는 동일한 연료-대-공기 비율을 갖는 표준 내연 엔진 보다 많은 동력을 생성할 것이다. 2-행정 엔진은 1 엔진 회전 당 피스톤 당 하나의 동력 행정을 전달하고 4-행정 엔진은 2 회전 당 하나의 동력 행정만을 가지므로, 표준 4-행정 ICE의 절반 크기인 ICSE는 어느 정도 더 높은 동력을 생산하고 오염을 덜 일으킬 것이다. 따라서, 내연 증기 엔진은 보다 더 환경 친화적이다.According to thermodynamic calculations, ICSE will generate more power than standard internal combustion engines with the same fuel-to-air ratio. Because a two-stroke engine delivers one power stroke per piston per engine revolution and a four-stroke engine has only one power stroke per revolution, ICSE, which is half the size of a standard four-stroke ICE, And will cause less pollution. Thus, internal combustion steam engines are more environmentally friendly.
또한, 헤드가 엔진 회전의 대략 20도 내지 25도를 커버하도록 설계된다면, 엔진 블록은 저가의 재료로 제조 될 수 있는 가능성이 있다.Also, if the head is designed to cover approximately 20 to 25 degrees of engine rotation, the engine block is likely to be made of a low cost material.
새로운 ICSE에 의해 전달되는 동력은 종래의 내연 엔진의 동력보다 현저히 높다. 이는 연소 과정 직후에 발생하는 과열된 증기의 형성뿐만 아니라 팽창 과정에서의 추가 질량 및 압력 증가 때문이다.The power delivered by the new ICSE is significantly higher than the power of a conventional internal combustion engine. This is due to the formation of superheated steam immediately after the combustion process as well as the additional mass and pressure increase in the expansion process.
계산에 따르면 물이 거의 일정한 체적 공정에서 (피스톤의 하향 운동으로 인해 체적이 많이 증가하기 전에) 온도가 상승하는 동안 연소 가스는 냉각된다. 물의 가열과 기화 중에 체적 변화가 적지만, 약간의 작은 팽창이 일어날 것이다. 이 공정 동안의 체적 변화량은 예를 들어, 증기의 정밀도와 엔진의 rpm에 따라 달라진다.Calculation shows that the combustion gas cools while the temperature rises in the water in a nearly constant volumetric process (before the volume increases much due to the downward movement of the piston). There will be less volume change during heating and vaporization of water, but a slight expansion will occur. The amount of volume change during this process depends on, for example, the accuracy of the steam and the rpm of the engine.
결과적으로, 또 다른 바람직한 실시예에서, 미세 증기 기화의 요구에 보다 잘 반응하는 신규 형태의 물 주입기 (6)가 사용된다. 바람직한 주입기는 하기에서 추가적으로 설명 될 것이다.Consequently, in another preferred embodiment, a new type of
팽창의 마지막에, 연소된 가스는 산화제가 순수 산소 (O2)가 아닌 공기인 경우 질소뿐 만 아니라, 미세한 증기 흐름의 형태로 된 물을 포함할 것이다.At the end of the expansion, the burned gas will contain not only nitrogen but also water in the form of a fine vapor stream if the oxidant is air, not pure oxygen (O2).
이는 방출의 관점에서 청정 엔진에 가까운 결과를 만들 것이다.This will produce results that are close to the clean engine in terms of emissions.
기존의 ICE에서, 연소 온도가 연소물로서 공기를 사용하는 ICE에서 충분히 높은 경우, 통상적으로 형성되는 물의 일부가 분해되고 질소 존재 하에서 NOx가 생성 될 수 있다.In conventional ICEs, if the combustion temperature is sufficiently high in the ICE using air as the combustible, typically some of the water formed is decomposed and NOx can be produced in the presence of nitrogen.
NOx가 생성은 가스를 다소 냉각시키는 흡열 반응이며, 특정 시점에서 가스는 O2, O, NO, NO2, H2O, H, OH 등을 포함 할 수 있는 균형 상태가 된다.NOx production is an endothermic reaction that somewhat cools the gas, and at some point the gas is in a balanced state that can include O2, O, NO, NO2, H2O, H, OH,
물론 이를 가능하게 하기 위해서는 연소 가스가 충분히 높은 온도에 도달해야만 하고 과량의 O2가 존재하면 어느 정도 양의 초과된 공기가 NOx를 형성할 가능성이 높아진다.Of course, in order to make this possible, the combustion gas must reach a sufficiently high temperature and the presence of excess O2 will increase the likelihood that a certain amount of excess air will form NOx.
NOx 는 NO 및 NO2의 혼합물이다. 깁스(Gibbs) 기능 및 온도를 사용하여 연소 생성물의 균형 농도를 산출할 수 있다. 이는 반복적 계산으로 기체가 균형에 도달하도록 고립상태로 유지되면 공기에서H2 를 연소하는 것이 일부 NOx 를 형성시키는 결과를 만든다. NO x is a mixture of NO and NO 2 . The Gibbs function and temperature can be used to calculate the balance concentration of the combustion products. This means that if the gas is kept isolated to reach equilibrium by repeated calculations, burning H 2 in the air will result in some NO x formation.
연소된 가스에 물을 첨가함으로써, 이들은 물을 증기 상으로 가열하면서 냉각된다. 온도를 낮추면서 압력을 높게 유지시킨다. 따라서, NOx는 더 이상 평형 성분이 아닌 지점으로 온도가 떨어짐에 따라 이론적으로 형성될 시간을 갖지 못한다. 어느 경우든 그 만큼 많은 형성이 이루어 지지 않는다. 따라서 원치 않는NOx생성은 기존의 ICE보다 확실히 낮아진다.By adding water to the burned gas, they are cooled while heating water to a vapor phase. Keep the pressure high while lowering the temperature. Thus, NOx does not have the time to theoretically form as the temperature drops to a point that is no longer an equilibrium component. In any case, not much is formed. Therefore, undesired NOx production is clearly lower than conventional ICE.
열역학적 계산에서, 공기 및 H2 의 화학양론적 혼합물을 사용함으로써 초과되는 공기가 없도록 대부분의 에너지를 얻을 수 있었다.In the thermodynamic calculations, most of the energy was obtained by using a stoichiometric mixture of air and H 2 to avoid excess air.
완전 연소 시, H2O 및 N2 의 고온 혼합물이 형성되고, 분사된 물의 첨가에 의해 급속히 냉각되어 NOx 가 거의 형성되지 않는다.Upon complete combustion, a high temperature mixture of H 2 O and N 2 is formed and rapidly cooled by the addition of injected water, so that NO x is hardly formed.
본 발명에 따른 ICSE의 또 다른 실시 예에서, 엔진에는 엔진 (13)에 분사되는 물의 예열을 제공하는 특정 헤드가 구비되며, 분사되는 물은 엔진 헤드 및 실린더 냉각을 위해 일반적인 엔진에 이미 존재하는 것과 유사한 도관을 통해 흐른다. ICSE 도관에서 적절한 물 순환 속도를 제공함으로써, 물은 가열되고 일반적으로 끓는점에 가까운 온도에 도달할 수 있다. 이는 낭비되는 열에너지를 활용하면서 과열된 증기 상태로 물을 가져 오기 위해 요구되는 연소에 의해 직접 생성되는 에너지를 덜 필요로하며, 이는 결국 필요한 연소의 양을 감소시킬 것이다.In another embodiment of the ICSE according to the present invention, the engine is provided with a specific head which provides preheating of the water to be injected into the
2-행정 엔진임에도 불구하고, 밸브들 및 관련된 작동 시스템으로 인한 중량 증가에 대한 대가로, ICSE는 단순한 포트들 (대부분의 2-행정 엔진에 일반적인 성능 제어 손실을 초래)을 사용하는 대신에 적어도 하나의 흡기 밸브 (3A) 및 하나의 배기 밸브 (3B)를 특징으로 한다.In spite of being a two-stroke engine, in return for weight increases due to valves and associated operating systems, the ICSE has to be able to use at least one, instead of using simple ports (which result in a general performance control loss for most 2-stroke engines) The
ICSE의 중요한 특징은 물 분사 시스템이다. 전술한 바와 같이, 상사 점에서의 피스톤의 상부 및 헤드에 의해 형성된 연소 챔버의 형상은 바람직하게는 그 짧은 축을 중심으로 회전 타원을 형성한다. 바람직하게는, 피스톤의 형상은 사영 순환 영역의 발생을 방지하도록 만들어진다. 이러한 특징을 이용하기 위해, 물 분사 노즐은 바람직하게는 연소 챔버 둘레부 (11) 주위에 적절하게 위치되고 일반적으로 미세한 분무 패턴을 갖는다. 화염 전방부는 연소기의 제트 분사 방향을 따라 수직 하향 축선을 따라 이동하는 경향이 있으므로, 물 분사기는 유리하게는 엔진 헤드 상부 (12)로부터 그려진 수직선으로부터 계산된 90도 이상의 각도로 분사 할 것 이다.An important feature of the ICSE is the water injection system. As described above, the top of the piston at top dead center and the shape of the combustion chamber formed by the head preferably form a rotational ellipse about its short axis. Preferably, the shape of the piston is made to prevent the occurrence of the projective circulation zone. To take advantage of this feature, the water injection nozzle is preferably positioned around the
물은 상사 점으로부터 약 5 내지 40도와 같이, 크랭크축의 소정의 회전 각도 후에 분사 될 것이다. 이 타이밍은 물이 분사되기 전에 연료의 완전 연소를 보장하는 것이 바람직하다. 점화는 상사 점으로부터 0도에서 5도 사이에서 발생한다고 일반적으로 가정된다. 물 분사기의 수와 분배는 디젤 엔진에서 연료를 주입하는 데 사용되는 미세 분무를 제공하는 능력에 따라 달라진다. 제시된 계산은 3000rpm으로 회전하는 ICSE에 대해 수행되었다. 물의 양은 모든 연소 생성물과 질량이 같아지도록 (연료 및 공기의 질량과 같아지도록) 선택되었다. 더 많은 물을 주입 할 수 있으며, 계산에 따르면 이 양은 단순히 공기 또는 순수한 산소에서 연료를 태우는 것 보다 현저히 더 많은 동력을 제공 할 것이다.The water will be injected after a predetermined rotational angle of the crankshaft, such as about 5 to 40 degrees from the top dead center. This timing preferably ensures complete combustion of the fuel before the water is injected. It is generally assumed that ignition occurs between 0 and 5 degrees from the top dead center. The number and distribution of water injectors depends on the ability to provide fine spray used to inject fuel from diesel engines. The proposed calculation was performed for ICSE rotating at 3000 rpm. The amount of water was chosen to be equal to the mass of all combustion products (equal to the mass of fuel and air). More water can be injected and, according to calculations, this amount will provide significantly more power than simply burning fuel in air or pure oxygen.
도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 물 분사기-분사 패턴은 물 분사기 (6)의 위치를 지시하여 이들이 일반적으로 예를 들어 원형 방식으로 연소 챔버 (17) 주위의 상이한 위치들 (11)에 위치되도록 한다. 분사기의 노즐은 바람직하게는 도 2에서 엔진 헤드의 상부에서 볼 때 원추형의 분사 패턴을 가질 것이다. 분사기의 전면에서 볼 때, 분사 패턴은 일반적으로 공칭 분사기 분사 각도로 특징되는 선형 패턴을 한정할 것이다. 상기 각도는 실린더 헤드 상부에서 볼 때 가능한 한 넓은 영역을 덮도록 한정되며, 도3에 도시된 바와 같이 방향이 하향 이동하는 화염을 따르는 방식으로 물이 하향으로 분사될 필요성을 다루는 상기 한정된 각도와 상이하다. 2 and 3, the water injector-spray pattern indicates the position of the
실린더 흡기 밸브 (3A)에 공급된 산화제 (공기 또는 O2)는 압축될 필요가 있을 것이다. 대부분의 경우 ICSE는 순수 산소 대신 공기로 작동하므로, ICSE는 압축 공기를 산화제로 하여 작동될 것이다. 압축된 가스 산화제 공급부 (9)의 이러한 목표를 달성하는 상이한 수단들이 있지만, 압축 장치는 바람직하게는 공기 질량이 실린더에 진입하기 전에 냉각 될 수 있는 거리에 (흡기 압축 공기 매니폴드 (10)를 통해서와 같이) 위치되어야 한다. 이는 고밀도로 공기를 공급하는 효과가 있으며, 이는 기존의 압축 엔진 또는 압축 실린더와 디텐트(detent) 실린더가 일반적으로 인접해 있는 이른바 스쿠데리(Scuderi) 엔진과 우호적으로 비교되는 효과이다. 스쿠데리 엔진은 쌍으로 된 실린더를 가지고 있으며, 각각의 엔진은 기존 엔진의 두 가지 작업 (스트로크)을 수행한다. 압축 실린더는 흡기 및 압축을 수행합니다. 디텐트 또는 파워 실린더는 연소 및 배기를 수행한다. 압축 공기는 교차 통로를 통해 압축 실린더에서 파워 실린더로 전달된다. 이후 파워 스트로크를 생성하기 위해 연료가 분사되어 파워 실린더 내부에서 연소된다.The oxidant (air or O2) supplied to the
ICSE에 직접 공급할 필요가 있을 때 압축 공기를 생성 할 수 있다. 대안적으로, 압축 공기가 일시적으로 저장될 수 있다. 압축 공기는 일반적으로 열교환기를 포함하는 이른바 인터쿨러 (intercooler)를 제공함으로써 저장 전에 (또는 후에) 활발하게 냉각 될 수 있다. 이러한 열 교환기 내의 압축 공기는 주변 공기 또는 ICSE에 주입되는 물에 의해 냉각 될 수 있다.Compressed air can be generated when it is necessary to supply it directly to the ICSE. Alternatively, compressed air can be temporarily stored. Compressed air can be actively cooled before (or after) storage by providing a so-called intercooler that includes a heat exchanger. Compressed air in this heat exchanger can be cooled by ambient air or water that is injected into the ICSE.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 산화제 송풍기 또는 압축된 산화제 저장 출력량을 화학량적 방식으로 연소시키는 필요량에 맞추기 위한 수단이 구비된다. 실린더 헤드 온도, 분석, 및 배기 가스 온도 등의 모니터링을 포함하여 상기 목표를 달성하기 위한 다양한 수단이 존재한다. 본 발명은 화학량적 연소 필요성을 충족시키기 위해 속도가 변할 수 있는 전기적으로 구동되는 압축기 또는 자가-구동 압축기를 이용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.In a preferred embodiment of the invention, means are provided for adjusting the amount of oxidant blower or compressed oxidant storage output to the required amount of combustion in a stoichiometric manner. There are various means for achieving this goal, including monitoring of cylinder head temperature, analysis, and exhaust gas temperature. It will be appreciated that the present invention may utilize electrically driven compressors or self-driven compressors that can vary in speed to meet stoichiometric combustion needs.
팽창 후, 저압 증기는 여과되고 응축되어 물 탱크 (7)로 복귀 될 수 있다. 본 사례에서 물 순환은 일반적으로 물 탱크 (7), 물 챔버 (13)내의 물 예열 용 저압 순환 펌프 (14) 및 ICSE 내부의 물 분사기 (6)로 연결되는 고압 분사 펌프 (15)를 포함한다.After expansion, the low pressure steam can be filtered, condensed and returned to the water tank 7. The water circulation in the present example generally includes a water tank 7, a low
도5A는 본 발명의 ICSE (20)의 실시예를 도시하고, 도5B는 압축 공기 (산화제)의 일시적인 저장을 위한 공기 탱크/버퍼 탱크 (30)의 실시예를 도시한다. 도5C는 도5B의 공기 탱크 (30)의 단면도이다.Figure 5A shows an embodiment of the
ICSE (20)는 상부에 밸브 커버 (22) 및 하부에 오일 팬 (26)을 갖는 실린더 블록, 실린더 블록에 분사 수 또는 냉각제를 공급하기 위한 연결부 (24), 플라이휠 (27) 부착되는 회전가능한 크랭크축 (25)을 포함한다. 일부 실시예에서, 크랭크축 (25)은 압축 공기를 버퍼 탱크 (30)로 공급하기 위한 압축기 (미도시), 교류 발전기 (미도시) 및/또는 팬 (미도시)에 작동 가능하게 연결될 수 있다.The
흡기 매니폴드 (23)는 흡기 밸브를 통해 각 실린더의 연소 챔버와 교대로 유동적으로 연결되며, 또한 버퍼 탱크 (30)에 유동적으로 연결되는 공기 입구 (21)를 갖는다. 일부 실시예에서, 버퍼 탱크 (30)는 쓰로트 (31)를 통해 흡기 매니폴드 (23)에 버퍼 탱크 체적을 유동적으로 연결하기 위해 플랜지 (33) 및 고정 볼트 (미도시)에 의해 공기 입구 (21)에 직접 장착될 수 있다. 압축기에 의해 공기 입구 (32)를 통해 제공된 압축 공기를 일시적으로 저장하기 위한 버퍼 탱크 (30)는 압축 공기를 흡기 매니폴드 (23)를 통해 실린더의 연소 챔버로 공급하는 것을 제어 (스로틀)하기 위한 버터플라이 밸브 (35)와 같은 밸브를 더 포함한다. The
버퍼 탱크 (30)는 스테인리스 강으로 제조 될 수 있고 적어도 2-행정 사이클 당 필요한 공기의 2 배의 양으로 모든 실린더들을 채우기 위한 압축 공기를 유지하기 위한 적절한 용량을 갖는다. 예를 들어, 버퍼 탱크 (30)는 2 리터 엔진에 대해 10 bar 또는 그 이상으로 압축된 약 4 리터의 공기를 수용 할 수 있는 용량을 가질 수 있다.
1...피스톤 (Piston)
2...실린더 (Cylinder)
3A...흡기 밸브 (Intake valve)
3B...배기 밸브(Exhaust valve)
4...연료 분사기 (Fuel injector)
5...
스파크 플러그 (Spark plug)
6...
물 분사기 (Water injector)
7...
물 탱크 (Water tank)
8...
굴곡진 피스톤 상부 (Curved piston top)
9...
압축 가스 산화제 공급부 (Compressed gaseous oxidizer supply)
(압축 공기 공급부(compressed air supply), 압축된 산소 공급부 (compressed oxygen supply))
10...
흡기 압축 공기 매니폴드 (Intake compressed air manifold)
11...
엔진 상부에서 본 물 분사 패턴(Water injection pattern seen from top of engine)
12...
엔진 측 방향에서 본 물 분사 패턴(Water injection pattern seen from side of engine)
13...
물 챔버 (Water chambers)
14...
저압 펌프 (Low-pressure pump)
15...
고압 펌프 (High-pressure pump)
16...
크랭크축 (Crankshaft)
17...
연소 챔버 (Combustion chamber)
18...
증기 콘덴서부 (Steam condenser unit)
20...
ICSE의 실시예
21...
공기 입구 (Air inlet)
22...
밸브 커버 (Valve cover)
23...
흡기 매니폴드 (Intake manifold)
24...
물 또는 냉각제 분사 연결부 (Connection for injection water or coolant)
25...
압축기 및 교류발전기 및 팬을 위한 크랭크축 (Crankshaft for compressor & alternator & fan)
26...
오일 팬(Oil pan)
27...
플라이휠(Fly wheel)
30...
버퍼 탱크 (Buffer tank)
31...
매니폴드에 대한 쓰로트 연결부 (Throat connects to manifold)
32...
압축기로부터의 공기 입구 (Air inlet from compressor)
33...
매니폴드에 맞추기 위한 볼트 구멍을 갖는 플랜지 (Flange with bolt holes to match manifold)
34...
버퍼 탱크의 수직부 (Vertical section of buffer tank)
35...
버터플라이 밸브 (Butterfly valve)1 ... Piston
2 ... Cylinder
3A ... Intake valve
3B ... Exhaust valve
4 ... Fuel injector
5 ... Spark plug
6 ... Water injector
7 ... Water tank
8 ... Curved piston top
9 ... Compressed gaseous oxidizer supply
(Compressed air supply, compressed oxygen supply)
10 ... Intake compressed air manifold
11 ... Water injection pattern seen from top of engine (from top of engine)
12 ... Water injection pattern seen from engine side direction (water injection pattern seen from side of engine)
13 ... Water chambers
14 ... Low-pressure pump
15 ... High-pressure pump
16 ... Crankshaft
17 ... Combustion chamber
18 ... Steam condenser unit
20 ... ICSE embodiment
21 ... Air inlet
22 ... Valve cover
23 ... Intake manifold
24 ... water or coolant connection (connection for injection water or coolant)
25 ... Crankshaft for compressor & alternator & fan for compressor &
26 ... Oil pan
27 ... Fly wheel
30 ... Buffer tank
31 ... throat connections to manifold
32 ... Air inlet from compressor
33 ... Flange with bolt holes to match manifold (Flange with bolt holes to match manifold)
34 ... Vertical section of buffer tank
35 ... Butterfly valve
Claims (27)
여기서 상기 흡기 밸브는 상기 흡기 밸브를 통해 상기 연소 챔버로 압축 가스 산화제를 공급하도록 구성되는 압축 가스 산화제 공급부(9)와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 스파크된 왕복 내연 2-행정 증기 엔진.
A cylinder (2) arranged inside the engine casing, a reciprocating point between a distal top dead center position in the crank shaft and a proximal bottom dead center position in the crank shaft, and an engine crankshaft (16) rotatable about an axis of the crank shaft A piston (1) movably reciprocated along an axis and disposed within said cylinder operatively connected to said crankshaft such that said reciprocating piston makes a rotational movement in said crankshaft, a piston A combustion chamber (17), an intake valve (3A), an exhaust valve (3B), a fuel injector (4) for directly injecting fuel into the combustion chamber, the combustion chamber (17) being defined within the cylinder between the heads of the pistons A water injector (6) for directly injecting water into the combustion chamber at a position below the top dead center; And a spark plug (5)
Wherein the intake valve is in fluid communication with a compressed gas oxidant supply (9) configured to supply a compressed gas oxidant to the combustion chamber through the intake valve.
The internal combustion two-stroke steam engine according to claim 1, wherein the compressed gas oxidizing agent supplied is compressed air or compressed air, preferably compressed air at a pressure of at least 3 to 6 bar.
The internal combustion two-stroke steam engine according to any one of the preceding claims, wherein the compressed-gas oxidant feed section comprises a compressor and preferably a temporary storage and / or heat exchanger.
4. A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the head of the piston is in a reciprocating position between 90 DEG and 20 DEG, preferably between about 35 DEG and 25 DEG, more preferably 30 DEG before the top dead center Further comprising an actuator configured to open the intake valve (3A) to supply a pressurized oxidant when in the first position, and to close the intake valve at 10 [deg.] To 2 [deg.], Preferably about 5 [ Internal combustion two-stroke steam engine.
5. The piston according to any one of claims 1 to 4, wherein the head of the piston is reciprocating from -21 DEG to + 15 DEG, preferably from -10 DEG to + 5 DEG, And is configured to open the exhaust valve (3B) to exhaust the exhaust gas when in the athletic position, wherein the exhaust valve (3B) is located between about 25 DEG and 5 DEG, preferably between 20 DEG and 10 DEG, more preferably between about 15 DEG Further comprising an actuator configured to close the exhaust valve.
6. The fuel injector according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel injector injects fuel at a temperature between -5 DEG and + 5 DEG, preferably at 0 DEG, from the top dead center, And immediately ignites after being ignited.
7. A device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the water injector is arranged to inject water into the combustion chamber at a temperature between 5 [deg.] And 40 [deg.], Preferably between 7.5 [deg.] And 30 [ Internal combustion two-stroke steam engine.
8. The internal combustion two-stroke steam engine according to any one of claims 1 to 7, wherein the intake valve (3A) and / or the exhaust valve (3B) are poppet valves, sliding valves or rotary disc valves.
9. A method according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel is liquid or gas in steady state conditions, preferably the fuel is a gas in steady state conditions, especially hydrogen; Methane, ethane, propane, butane or natural gas.
10. The control device according to any one of claims 1 to 9, wherein the control device is configured to control at least one of opening and closing of the intake valve, opening and closing of the exhaust valve, timing and amount of fuel injection, timing and amount of water injection, Further comprising a control unit.
11. The water treatment system according to any one of claims 1 to 10, further comprising a water tank (7) as a water supply unit for supplying water to the water injector (6) and a water tank Further comprising a condenser section (18) operative to supply said condensed water.
12. The internal combustion two-stroke steam engine according to any one of claims 1 to 11, wherein the head of the piston toward the combustion chamber has an inwardly curved surface.
13. The apparatus according to any one of claims 1 to 12, further comprising a plurality of water injectors (6) distributed along the circumference of the combustion chamber at a position below the top dead center position, The position is preferably such that when the crankshaft is at a rotational angle of 0 DEG to 35 DEG, preferably 5 DEG to 25 DEG with respect to the TDC position, 2-stroke steam engine.
14. The apparatus according to any one of claims 1 to 13, comprising a plurality of water injectors disposed at different positions relative to the reciprocating axis, wherein water injection of each of the plurality of water injectors is controlled individually Internal two-stroke steam engine.
15. A method according to any one of claims 1 to 14, wherein the water injector has an angle of at least 90 DEG, preferably between 92.5 DEG and 150 DEG, more preferably between 95 DEG and 130 DEG relative to the reciprocating axis in the direction of top dead center Wherein the steam is injected at an angle between the steam inlet and the steam inlet.
16. An engine as claimed in any one of the preceding claims, wherein the engine casing includes a cylinder head and a cylinder block, the cylinder head being arranged to enclose a distance of the piston head by a crankshaft rotation of about 25 degrees from top dead center Stroke steam engine.
17. The internal combustion two-stroke steam engine according to claim 16, wherein the water injector or the plurality of water injectors are disposed between the cylinder head and the cylinder block.
(a) 상기 피스톤의 상기 헤드가 상사 점 이전 90° 내지 20°, 바람직하게는 약35° 내지 25°, 더 바람직하게는 30°에서 왕복운동 위치에 있는 경우 압축 산화제를 공급하도록 상기 흡기 밸브 (3A)를 개방하고, 상사 점 이전 10° 내지 2° 사이, 바람직하게는 약5°에서 상기 흡기 밸브를 폐쇄하는 단계.
18. A method of operating a sparked reciprocating internal combustion two-stroke steam engine according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the method comprises the steps of rotating the crankshaft (16) and of a corresponding reciprocating motion of the piston The method of operating a sparked reciprocating internal combustion two-stroke steam engine,
(a) when the head of the piston is in the reciprocation position at 90 [deg.] to 20 [deg.] before the top dead center, preferably at about 35 [deg.] to 25 [ 3A), and closing the intake valve between 10 [deg.] And 2 [deg.] Before the top dead center, preferably at about 5 [deg.].
(b) 상기 피스톤의 상기 헤드가 하사 점으로부터 -21° 내지 +15°, 바람직하게는 -10° 내지 +5°, 더 바람직하게는 0°에서 왕복운동 위치에 있는 경우 배기 가스를 방출하도록 상기 배기 밸브 (3B)를 개방하고, 상사 점 이전 25° 내지 5°, 바람직하게는 20° 내지 10°, 더 바람직하게는 약15°에서 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 단계.
19. The method of claim 18, wherein the method further comprises the following steps in each cycle of rotation of the crankshaft (16) and corresponding reciprocating motion of the piston (1)
(b) when the head of the piston is in the reciprocating position at -21 [deg.] to + 15 [deg.], preferably -10 [deg.] to + 5 [ Opening the exhaust valve 3B and closing the exhaust valve 25 to 5 degrees before the top dead center, preferably 20 to 10 degrees, more preferably about 15 degrees.
(c) 상사 점으로부터 -5° 내지 +5°의 범위, 바람직하게는 0° 에서 연료를 분사하고 상기 연료 분사기의 폐쇄 직후에 상기 스파크 플러그를 점화하는 단계.
A method as claimed in claim 18 or 19, wherein the method further comprises the following steps in each cycle of rotation of the crankshaft (16) and corresponding reciprocating motion of the piston (1)
(c) injecting the fuel in the range of -5 ° to + 5 °, preferably 0 °, from the top dead point and igniting the spark plug immediately after closing of the fuel injector.
(d) 상사 점 이후 5° 내지 40°, 바람직하게는 7.5° 내지 30° 에서 연소 챔버 내로 물을 분사하는 단계.
21. A method according to any one of claims 18 to 20, wherein the method further comprises the following steps in each cycle of rotation of the crankshaft (16) and corresponding reciprocating motion of the piston (1)
(d) spraying water into the combustion chamber at 5 to 40 degrees, preferably 7.5 to 30 degrees after top dead center.
22. The method of claim 21, wherein the mass of water injected into the combustion chamber after step (c) represents 0.8 to 1.5, preferably 0.9 to 1.2 of the mass of the combustion gas inside the combustion chamber.
23. A method according to any one of claims 18 to 22, wherein the pressure of the compressed oxidant supplied in step (a) is controlled by a control part.
24. The process according to any one of claims 18 to 23, wherein in step (a), preferably in each cycle; The opening of the intake valve 3A is controlled by the control section at a value in the range of 90 to 20 degrees, preferably in the range of 35 to 25 degrees, more preferably 30 degrees, before the top dead center point; And / or the closing of the intake valve (3A) is regulated by the control part at a value in the range of 10 [deg.] To 2 [deg.], Preferably 5 [deg.] Before top dead center.
25. A process according to any one of claims 18 to 24, wherein in step (b), preferably in each cycle; The opening of the exhaust valve 3B is controlled by the control section at a value in the range of -21 DEG to + 15 DEG, preferably -10 DEG to + 5 DEG, more preferably 0 DEG from the bottom dead center point; And / or the closing of the exhaust valve (3B) is controlled by the control section at a value in the range of 25 DEG to 5 DEG, preferably 20 DEG to 10 DEG, more preferably 15 DEG before bottom dead center How to.
26. The method according to any one of claims 18 to 25, wherein the injection of fuel in step (c) is carried out at a value within the range of -5 to +5 degrees, preferably 0 degrees, from the top dead center, Each cycle being controlled by a control unit.
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